Позиционно-чувствительный детектор радиации для малых спутников формата кубсат

Партнер проекта: ФГБОУ ВО МГУ им. М.В.Ломоносова

Описание проекта

-Команда реализует прототип позиционно-чувствительного сцинтилляционного детектора гамма-излучения и электронов, который будет установлен

на малом космическом аппарате, запуск которого планируется в течение ближайшего года, а так же программное обеспечение по обработке и визуализации данных и создание удобного интерфейса

Цель
Подготовить эксперимент по анализу космической радиации на базе позиционно-чувствительного детектора:
1) анализ результатов математического моделирования детектора;
2) разработка ПО для МК прибора (STM32);
3) отработка основных узлов на макете;
4) разработка ПО для анализа и визуализации данных.
Задачи
Научная часть
-Изучение космической радиации;
-Сравнительный анализ аналогов.
Электроника

-Разработка электронных схем аналоговых узлов;

-Разработка схемы и подключение микроконтроллера.

Программирование

-Анализ результатов математического моделирования детектора;

-Реализация алгоритма анализа пакетов данных;

-Разработка интерфейса для визуализации полученных данных;

-Программирование микроконтроллера.

Аннотация
В ходе проекта проводится отладка электронной части прибора при помощи макета, создается программное обеспечение для микроконтроллера и проводится анализ получаемых данных, создается программа для расшифровки данных и их дальнейшая визуализация места расположения спутника во времени пролета на основе TLE и удобный для пользования интерфейс.
Проверка алгоритма работы с космическими данными проводится на основе первичных данных со спутников UTMN-2, Avion
Актуальность
Как показал опыт СириусСат-1 и других аппаратов, современные модели могут существенно отличатся от реальных потоков заряженных частиц, для уточнения моделей требуется более подробное изучение всего захваченного и квазизахваченного радиацией, Массовость спутников помогает увеличить качество полученных данных, сравнение показаний со спутников увеличивает достоверность данных

Преимущества прибора ТГС (трековый гамма спектрометр):
-Большая площадь (4 секции по 64 см2)
-Позиционно-чувствительный детектор
-Режим пособытийной записи

Преимущество спутников класса КубСат:
-имеют небольшие размеры и вес, что делает их легко доступными для массового запуска;
-короткое время подготовки аппаратуры;
-есть возможность создания группировки спутников, которая:
а) позволит увеличить наблюдательное время для гамма-всплесков;

б) позволит разделить пространственные и временные эффекты при измерении потоков частиц.

План работы
Первая неделя:
-изучение теории по теме проекта, погружение в тему
-обзор ситуации и указание проблем которые мы хотим решить
-рассмотрение аналогов и их область применимость с указанием на новизну нашего прибора
-сформулировать цели проектной работы
-выделить задачи для проектной работы и распределение их по участникам проекта
-начало работы по сборке электроники

Вторая неделя:
-рассмотрение вариантов проектных решений, гипотез
-четкое формирование плана этапов работы
-ожидаемый образ итогового результата
-плата усилителей
-программа анализа (ДеКоР)
-сумматоры и триггеры
-работа с данными TLE и визуализация данных
-сборка детектора
-работа с интерфейсом

Третья неделя:
-создать техническое обоснование
-сделать выводы по проекту и провести экономический расчет
-рассмотреть планы по дальнейшему использованию полученных результатов, развития и оформлению/упаковке результата проекта
-принципиальная схема
-описание методики эксперимента и анализ моделирования
-программа MCU, реализующая кадры
-формат данных и программа анализа ТГС
-программа анализа (ДеКоР)
-Сумматоры и триггеры
-парсинг данных
-работа с интерфейсом
Научная часть
О космической радиации
Спутник-2 был запущен 3 ноября 1957 года, на одном из витков 7 ноября 1957 года впервые зарегистрировали частицы радиационных поясов Земли.
История обнаружения космической радиации:
Понимание о космической радиации сейчас:
Радиационные пояса Земли
О спутнике
  • Спутник «Скорпион» НИИЯФ МГУ, формат кубсат 16U;
  • Состав КНА: гамма-спектрометр ТГС для регистрации атмосферных гамма-вспышек и космических гамма-всплесков (наш прибор), оптический и УФ спектрометр-фотометр АУРА-Т для исследования высотных разрядов, радиочастотный анализатор, комплекс детекторов космической радиации;
  • Предмет изучения: верхняя атмосфера, космические и солнечные гамма-всплески, околоземная радиация.
  • Орбита спутника: полярная, ~500 км, для наблюдения во всех районах, в том числе в областях грозовой активности вблизи экватора, на широтах аврорального овала и в полярной области;
  • Ожидаемый объём данных: 100 Мб в сутки;
  • Запуск: конец 2024 г – начало 2025 г.
Электроника
1) 64 полупроводниковых фотоумножителя (SiPM) с сцинтилляционными элементами 2-х типов расположены в матрице 8х8
2) 32 усилители, преобразуют слабый импульс тока в импульс напряжения;
16 сумматоров, складывают аналоговые сигналы пикселей по строкам и столбцам.


3) Два 8-ми канальных АЦП, одновременно преобразуют аналоговые сигналы в цифровые импульсы амплитудой 1-5 В и длительностью 5 мкс;
МК, считывает оцифрованные значения по параллельному интерфейсу и формируюет выходные данные.



1
2
3
Функционирование электроники
Схема работы прибора
Программирование
Анализ результатов моделирования детектора
Количество регистраций GAGG:Ce 0 deg
Количество регистраций GAGG:Ce 60 deg
Выводы о работе детектора:
При угле полета частицы в 60° возрастает количество регистраций крайними пикселями (в среднем на 35 регистраций), благодаря чему мы можем более точно предсказать направление прихода потока гамма-излучения. Это может быть активно использовано при атмосферных исследованиях или для наблюдения за точечными источниками гамма излучения.
·Для матрицы с 8-ю пластиковыми и 56-ю GAGG: Ce элементами общее количество незарегистрированных событий составляет 5797 на 20000 частиц, таким образом общая эффективность 1МэВ составляет 71%.
Мы считаем, что прибор обладает достаточно высокой эффективностью, а матричное строение позволяет точнее анализировать данные о зарегистрированных частицах.
Наша программа была скомпилирована в единую библиотеку ScorpionTGSMatrix для её возможности использования в сторонних ПО анализа данных с приборов ТГС матричного типа. (репозиторий GitHub: https://github.com/LIThium-inc/ScorpionTGSMatrix)
Расшифровка данных
Расшифровка первичных данных типа "Мониторинг" со спутников UTMN-2 и Avion
Изначальные данные: набор 16-ричных чисел, одна строка содержит 120 байт информации
Расшифрованные данные: тип кадра и номер устройства, время первого измерения, номер кадра, последовательные записи показаний в четырёх каналах прибора для 14 моментов времени, по 2 байта на каждое значение.
Получение данных геомагнитных параметров
-Парсинг осуществляется с сайта НИИЯФ МГУ (https://swx.sinp.msu.ru/);
-Получаемые данные: географические и геомагнитные долгота и широта, параметр МакИлвейна, в тени или на свету находится аппарат.

Важной частью является отслеживание положение спутника, так как нам важно отличать вспышки от аномалий
Для этого на Python была создана программа которая при помощи географических координат с сайта НИИЯФ МГУ по точкам выстраивает движение спутника и указание тени/света
Интерфейс
Функционал:
-выбор желаемых осей отображения данных по времени или L;
-усреднение значений по выбору пользователя;
-выбор желаемого временного интервала данных;
-выбор стиля графика;
-линейные или логарифмические шкалы;
-отображение погрешности.
Разработка ПО для МК
Для обработки данных, полученных с детектора, и их обработки был написан код на языке С для микроконтроллера NUCLEO L476RG на базе чипа STM32, который используется в качестве управляющего устройства прибора. Код получает два массива: сумма значений столбцов и строк на матрице соответственно и при помощи двух вложенных циклов отбирает два наибольших значения за кадр и их координаты, отсеивая шум АЦП. Из полученных значений также считается интеграл их амплитуды. Благодаря использованию таймеров программа не принимает другие данные во время их отправки по UART, что позволяет получать максимально достоверные значения без искажений и наложений данных друг на друга. Таким образом отправка измерение и отправка данных происходит в среднем 7 раз в секунду.
Результат
По итогам программы был проведен анализ результатов математического моделирования детектора, было разработано и создано программное обеспечение для микроконтроллера прибора STM32, на примере макетов были отработанны основные узлы, разработали программное обеспечение для анализа и визуализации данных, создан удобной интерфейс для пользователей
выполнена проверка данных на примере спутников UTMN-2, Avion
Команда
  • Виталий Богомолов
    Научный руководитель
    старший научный сотрудник лаборатории космической рентгеновской и гамма-астрономии НИИЯФ Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, кандидат физико-математических наук
  • Юлия Широкова
    стажёр
    Студентка ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)", специальность “Фундаментальная и прикладная лингвистика” – 2 курс.

    Лаборант ГБУ ДО «Региональный центр выявления, поддержки и развития способностей и талантов у детей и молодежи Челябинской области «Курчатов Центр»
  • Анна Сазонова
    Стажер, электронщик
    Студентка физического факультета кафедра физики космоса 3 курс, работник лаборатории в НИИЯФ МГУ
  • Юрий Дементьев
    Методист направления
    Старший методист по проектной деятельности Лицея «Вторая школа» имени В.Ф. Овчинникова, методист Центра педагогического мастерства (г. Москва), методист направления «Космические технологии» проектной программы конкурса «Большие вызовы», методист космической программы «Сириус-2020»
  • Артём Мардин
    Электронщик
    Разработка и изготовление аналоговой части электроники
  • Егор Васильев
    Программист/электронщик
    Программирование STM32, 3д моделирование, отладка цифровой части электроники
  • Мария Федорова
    Программист
    Парсинг, расшифровка, обработка, анализ данных
  • Евгения Ловчикова
    Программист
    Парсинг, визуализация, анализ данных, данные TLE
  • Ирина Семенова
    Программист
    Создание интерфейса
  • Матвей Зуев
    Физик
    Сборщик электроники, изучение теоретической части
  • Николай Петренкин
    Программист
    Анализ результатов математического моделирования детектора, программирование STM32
Галерея